Сергей Язев - Лекции о Солнце

Может ли помочь исследователям регистрация этих волн в непростом деле изучения недр Солнца? Оказывается, может.

Особенности волн, разбегающихся от эпицентра землетрясений, регистрируемые сейсмологами на Земле, позволяют делать выводы о внутреннем строении нашей планеты. Скорость разных типов волн позволяет судить об устройстве, плотности глубоко залегающих пород, делать выводы о том, есть ли в недрах Земли неоднородности, где плотные твердые, а где расплавленные жидкие слои. Волны, проходя по разным типам пород и отражаясь от границ разных сред, меняют свои свойства. По этим свойствам можно судить об особенностях среды, сквозь которую проходили эти волны. А если мы будем фиксировать разные волны, шедшие в разных направлениях по разным траекториям, картина станет все более полной. Грубо говоря, примерно так действуют сейсмологи на Земле. Примерно так же действуют и специалисты по солнечной сейсмологии – гелиосейсмологи .

Но если на Земле мы можем установить множество сейсмографов и регистрировать колебания почвы под воздействием распространяющихся в земной коре волн, то как зарегистрировать колебания на Солнце?

В редких случаях волны, разбегающиеся по поверхности Солнца – например, от места мощной вспышки, – видны непосредственно. Это так называемые волны Моретона . Их наблюдение – редкая удача для наблюдателя. Кроме того, поверхностные волны могут принести не так уж много информации о глубинных слоях.

Оказалось, что волны на Солнце приводят к колебаниям его поверхности на уровне фотосферы. А эти колебания (вверх и вниз, к нам и от нас) можно зафиксировать, регистрируя переменные синие и красные смещения в контурах фраунгоферовых линий. В основе гелиосейсмологии лежит уже известный нам эффект Доплера!

Нужно сказать, что анализ наблюдаемых колебаний достаточно сложен и не всегда однозначен. Тем не менее, гелиосейсмология дала нам много важной информации о недрах Солнца!

Например, именно этот метод позволил определить, на какой глубине залегает нижняя граница конвективной зоны, ниже которой не проникают волны, отражающиеся от этой границы и от слоя температурного минимума в фотосфере. Получается, что, многократно отражаясь между этими уровнями, как в замкнутом резонаторе, волны приобретают информацию о многих свойствах среды между этими поверхностями. Так удалось узнать, что нижняя граница конвективной зоны залегает на глубине около 200 тысяч километров под фотосферой.

Кроме того, была получена зависимость скорости звука от расстояния до центра Солнца. А поскольку уже давно известно, что скорость звука в среде зависит от ее температуры, эти данные помогли уточнить, как изменяется температура по мере погружения в недра Солнца. Температура – один из основных параметров стандартной модели Солнца, поэтому сравнение расчетных (в рамках модели) значений температуры на разной глубине со значениями, которые получены независимым методом гелиосейсмологии, оказалось чрезвычайно полезным для модели.

Многие свойства Солнца зависят от того, как вращается светило на разных глубинах. Гелиосейсмология позволила определить скорость вращения на разных глубинах и на разных широтах, что сразу позволило отбросить некоторые модели как неверные и дало дополнительные подтверждения другим моделям. При этом удалось выяснить, что эффект дифференциальности вращения начинается со дна конвективной зоны! Глубже этого уровня Солнце вращается недифференциально, почти как твердое тело. Метод позволил восстановить траектории крупномасштабных потоков плазмы в недрах конвективной зоны.

Важный вывод – уточнение концентрации гелия на Солнце. Выше было указано, что спектральные методы не позволяют это сделать непосредственно. Но это можно сделать с помощью гелиосейсмологии! Дело в том, что по мере погружения в недра Солнца температура растет (гелиосейсмологи помогли показать, как именно). С ростом температуры увеличивается степень ионизации гелия. Рост давления с глубиной также увеличивает степень ионизации гелия, что, в свою очередь, немного уменьшает упругость вещества. Акустические волны, проходя сквозь эти слои, из-за этого немного меняют свои свойства – скорость звука и частоту. Если зафиксировать этот эффект (что и было сделано!), по его величине можно рассчитать содержание гелия. Оказалось, что оно несколько меньше, чем это предсказывалось ранними вариантами стандартной модели: 23,5–26,5 % по массе вместо 27–29 %.